(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化自由層と、
磁化固定層と、
前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置されたトンネルバリア層と
を有し、
前記磁化自由層は、垂直磁化自由層、該垂直磁化自由層と前記トンネルバリア層との間に配置された面内磁化自由層、及び前記垂直磁化自由層と前記面内磁化自由層との間に配置された非磁性中間層とを含み、前記垂直磁化自由層の磁化容易方向は膜面に対して垂直であり、前記面内磁化自由層の磁化容易方向は膜面に平行であり、前記垂直磁化自由層の磁化は、前記非磁性中間層を介して前記面内磁化自由層と交換結合することによって、面内方向を向いており、
前記非磁性中間層は、厚さ０．１ｎｍ〜０．４ｎｍの範囲内のＴａ層を含む磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記非磁性中間層は、さらに、前記垂直磁化自由層と前記Ｔａ層との間に配置された厚さ１ｎｍ以下のＲｕ層を含む請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記面内磁化自由層は、（００１）配向した体心立方格子構造を有する請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
基板上に形成され、一方向に延在する複数のワード線と、
前記ワード線と交差する方向に延在する複数のビット線と、
前記ワード線と前記ビット線との交差する箇所に対応して配置されたメモリセルと、
を有し、
前記メモリセルは、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子とスイッチング素子との直列接続を含み、該直列接続の一方の端子は、対応する前記ビット線に接続され、他方の端子は接地され、前記スイッチング素子は、対応する前記ワード線に印加される電気信号によってオンオフ制御される磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルバリア層を磁化自由層と磁化固定層とで挟んだ磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルバリア層を磁化自由層と磁化固定層とで挟んだ磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子をメモリセルに用いたスピントランスファートルク型磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）が注目されている。面内磁化膜を用いたＭＴＪ素子において、磁化自由層における垂直方向の反磁界Ｈｄが、磁化方向を反転させる反転電流増大の１つの要因になっている。
【０００３】
垂直磁気異方性を有する膜と、面内磁気異方性を有する膜とを接触させた２層構造の磁化自由層を用いることにより、書き込み電流の低減を図ることができるとの報告がなされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Luqiao Liu et al., “Reduction of the spin-torque critical current by partially canceling the free layer demagnetization field”, Applied Physics Lerrets 94, 122508 (2009)
【非特許文献２】Takahiro Moriyama et al., “Tunnel magnetoresistance and spin torque switching in MgO-based magnetic tunnel junctions with a Co/Ni multilayer electrode”, Applied Physics Letters 97, 072513 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
書込み電流の低減のみならず、大きなＭＲ比を有するＭＴＪ素子の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、磁化自由層と、磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置されたトンネルバリア層とを有し、前記磁化自由層は、垂直磁化自由層、該垂直磁化自由層と前記トンネルバリア層との間に配置された面内磁化自由層、及び前記垂直磁化自由層と前記面内磁化自由層との間に配置された非磁性中間層とを含み、前記垂直磁化自由層の磁化容易方向は膜面に対して垂直であり、前記面内磁化自由層の磁化容易方向は膜面に平行であり、前記垂直磁化自由層の磁化は、前記非磁性中間層を介して前記面内磁化自由層と交換結合することによって、面内方向を向いており、前記非磁性中間層は、厚さ０．１ｎｍ〜０．４ｎｍの範囲内のＴａ層を含む磁気トンネル接合素子が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
垂直磁化自由層と面内磁化自由層とを組み合わせることにより、磁化自由層の垂直方向の反磁界を小さくすることができる。これにより、反転電流を低減させることが可能になる。非磁性中間層を配置することにより、大きなＭＲ比を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１によるＭＴＪ素子の概略断面図である。
【図２】（２Ａ）及び（２Ｂ）は、それぞれＣｏＦｅＢ単層の磁化自由層、及び実施例１の構造を有する磁化自由層の磁化特性を示すグラフである。
【図３】実施例１によるＭＴＪ素子の非磁性中間層のＲｕ膜の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１によるＭＴＪ素子の面内磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図５】実施例１によるＭＴＪ素子の非磁性中間層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１によるＭＴＪ素子の面内磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図７】実施例１によるＭＴＪ素子の垂直磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図８】実施例１によるＭＴＪ素子の面内磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図９】実施例１によるＭＴＪ素子の垂直磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図１０−１】実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。
【図１０−２】実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。
【図１０−３】実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。
【図１１】実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの等価回路図である。
【図１２】実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの製造途中段階における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に、実施例１によるＭＴＪ素子の概略断面図を示す。基板１０の上に、下部電極１１が形成されている。下部電極１１には、例えばＴａが用いられる。下部電極１１の一部の領域上に、バッファ層１２、磁化自由層１７、トンネルバリア層１８、磁化固定層（磁化ピンド層）１９、反強磁性層（磁化ピニング層）２０、上部電極２１、及び接続層２２が、この順番に積層されている。磁化自由層１７は、非磁性中間層１４を垂直磁化自由層１３と面内磁化自由層１５とで挟んだ積層構造を有する。面内磁化自由層１５がトンネルバリア層１８に接触している。すなわち、垂直磁化自由層１３とトンネルバリア層１８との間に面内磁化自由層１５が配置されている。
【００１０】
バッファ層１２は、その上に配置される垂直磁化自由層１３の結晶品質を高め、垂直磁化自由層１３の磁化容易方向を膜面に対して垂直な方向に向ける機能を持つ。バッファ層１２には、例えばＲｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ等が用いられ、その厚さは、例えば２ｎｍ〜１０ｎｍである。
【００１１】
垂直磁化自由層１３には、磁化容易方向が膜面に対して垂直である強磁性材料が用いられる。このような材料として、例えば、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｄ等が挙げられる。また、垂直磁気異方性膜１３を多層膜構造としてもよい。多層膜構造の例として、Ｆｅ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｆｅ層とＰｄ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｄ層との交互積層構造、及びＣｏ層とＮｉ層との交互積層構造が挙げられる。
【００１２】
非磁性中間層１４は、その上に形成される面内磁化自由層１５の結晶品質を高める機能を有する。非磁性中間層１４には、例えば厚さ０．１ｎｍ〜０．４ｎｍのＴａ膜が用いられる。なお、非磁性中間層１４を、Ｔａ膜とＲｕ膜との２層構造にしてもよい。この構造では、厚さ１ｎｍ以下のＲｕ膜が、垂直磁化自由層１３とＴａ膜との間に配置される。
【００１３】
面内磁化自由層１５には、磁化容易方向が面内方向を向く強磁性材料が用いられる。このような磁性材料として、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅＢ、ＦｅＢ等が挙げられる。ＭＴＪ素子をＳＴＴ−ＭＲＡＭに適用したときの反転電流（書込み電流）及び情報保持能力（リテンション）は、面内磁化自由層１５の膜厚に依存する。面内磁化自由層１５にＣｏ２５Ｆｅ５９Ｂ１６を用いる場合、その厚さを１．１ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内とすることが好ましい。なお、非磁性中間層１４がＴａ膜のみで形成されている場合には、面内磁化自由層１５の厚さを、０．５ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内とすることが好ましい。
【００１４】
垂直磁化自由層１３に接触させて、面内磁化自由層１５を形成すると、面内磁化自由層１５が、垂直磁化自由層１３の結晶格子の影響を受けて、（１１０）配向した体心立方格子構造をとりやすくなる。ＭＲ比を大きくするためには、面内磁化自由層１５を、（００１）配向した体心立方格子構造にすることが好ましい。非磁性中間層１４を配置することにより、面内磁化自由層１５を、（００１）配向した体心立方格子構造にすることができる。
【００１５】
垂直磁化自由層１３が非磁性中間層１４を介して面内磁化自由層１５と交換結合することにより、垂直磁化自由層１３の磁化方向が面内方向を向く。これにより、磁化自由層１７は、全体として面内方向の磁気異方性を有する強磁性膜として機能する。磁化自由層１７にスピン偏極した電子を注入し、スピントランスファートルクの作用によって磁化方向を反転させるための電流（反転電流）の大きさは、磁化自由層１７の垂直方向の反磁界に依存する。面内磁化自由層１５と垂直磁化自由層１３とを組み合わせることにより、磁化自由層１７の垂直方向の反磁界を低減させることができる。これにより、反転電流を小さくすることが可能になる。
【００１６】
垂直磁化自由層１３が厚くなりすぎると、その本来の垂直磁気異方性が支配的になってしまい、磁化が面内方向を向きにくくなる。また、反転電流は、磁化自由層１７の体積に依存する。垂直磁化自由層１３が厚くなると、磁化自由層１７の体積が大きくなり、反転電流を低減させる効果が減殺されてしまう。逆に、垂直磁化自由層１３が薄すぎると、垂直方向の反磁界を低減させるという十分な効果が得られない。
【００１７】
一例として、垂直磁化自由層１３にＣｏＰｔを用いる場合には、その厚さを０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にすることが好ましい。また、垂直磁化自由層１３を、Ｃｏ膜とＮｉ膜との交互積層構造とする場合には、Ｃｏ膜の厚さを０．２ｎｍ、Ｎｉ膜の厚さを０．４ｎｍとし、繰返し回数を２回とすることが好ましい。
【００１８】
トンネルバリア層１８は、磁化自由層１７と磁化固定層１９との間で、量子トンネル効果によって電子が移動する厚さに設定される。トンネルバリア層１８の材料及び厚さは、素子抵抗ＲＡを決める一因になる。一例として、トンネルバリア層１８にＭｇＯを用いる場合、その厚さは１ｎｍに設定される。ＭｇＯ以外に、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＨｆＯ等の酸化物を用いてもよい。
【００１９】
磁化固定層１９は、例えば、トンネルバリア層１８側から順番に、厚さ２．５ｎｍのＣｏＦｅＢ層、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層、厚さ０．７ｎｍのＲｕ層、及び厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層が積層された積層フェリ構造を有する。
【００２０】
反強磁性層２０には、反強磁性材料、例えばＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等が用いられる。一例として、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎ層が用いられる。反強磁性層２０は、磁化固定層１９と交換結合することにより、磁化固定層１９の磁化方向を、面内の一方向に固定する。
【００２１】
上部電極２１には、例えば厚さ５ｎｍのＲｕ層が用いられる。接続層２２には、例えば厚さ１００ｎｍのＴａ層が用いられる。接続層２２は、上部電極２１からバッファ層１２までの各層をパターニングするときのハードマスクとして用いられる。
【００２２】
磁化自由層１７の磁化方向が、磁化固定層１９の磁化方向と平行になっている状態（平行状態）が、ＭＴＪ素子の低抵抗状態に対応し、反平行になっている状態（反平行状態）が、高抵抗状態に対応する。
【００２３】
図２Ａ及び図２Ｂに、膜面に垂直な方向の磁化特性の測定結果を示す。図２Ａは、厚さ１．３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜の磁化特性を示し、図２Ｂは、実施例１による磁化自由層１７の磁化特性を示す。作製した試料の垂直磁化自由層は、厚さ０．２ｎｍのＣｏ膜と厚さ０．６ｎｍのＮｉ膜との交互積層構造を有し、積層の繰返し回数は２である。非磁性中間層１４は、厚さ０．４ｎｍのＲｕ膜と厚さ０．２ｎｍのＴａ膜との２層構造を有する。面内磁化自由層１５は、厚さ０．８ｎｍのＣｏＦｅＢ膜である。
【００２４】
図２Ａ及び図２Ｂの横軸は、垂直方向の外部磁界の強さを、単位「Ｏｅ」で表し、縦軸は垂直方向の磁化の大きさを、単位「１０−３  ｅｍｕ」で表す。
【００２５】
厚さ１．３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜の垂直方向の反磁界は、約４４００Ｏｅである。これに対し、実施例１の構造の磁化自由層１７の垂直方向の反磁界は約１７５０Ｏｅである。このように、実施例１の構造を採用することにより、単層の面内磁化自由層に比べて、垂直方向の反磁界を低減させることができる。
【００２６】
また、厚さ１．３ｎｍの単層のＣｏＦｅＢ層を磁化自由層に用いたＭＴＪ素子の反転電流は、約４ＭＡ／ｃｍ２（実測値）であった。これに対し、図２Ｂに示した試料の反転電流は、約１．５ＭＡ／ｃｍ２（試料の磁化量と反磁界による計算値）であった。このように、実施例１による磁化自由層１７を採用することにより、反転電流を低減させることが可能になる。
【００２７】
図１に示した積層構造を有する複数の評価用試料を作製し、ＭＲ比を測定した。以下、評価結果について説明する。
【００２８】
図３に、非磁性中間層１４の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の構造は下記の通りである。
・バッファ層１２：厚さ４ｎｍのＰｔ膜
・垂直磁化自由層１３：（厚さ０．３ｎｍのＣｏ膜／厚さ０．６ｎｍのＮｉ膜）×２
・非磁性中間層１４：厚さ０．２ｎｍ〜０．８ｎｍのＲｕ膜と、厚さ０ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜との積層
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
・トンネルバリア層１８：厚さ１．０ｎｍのＭｇＯ膜
・磁化固定層１９：厚さ０．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、厚さ０．７５ｎｍのＲｕ膜、及び厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ膜
・反強磁性層２０：厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎ膜
・上部電極２１：厚さ５ｎｍＲｕ膜
・接続層２２：厚さ１００ｎｍのＴａ膜
ここで、垂直磁化自由層１３の構造を示す「×２」は、Ｃｏ膜とＮｉ膜との積層の繰返し回数が２回であることを意味する。
【００２９】
図３の横軸は、非磁性中間層１４のＲｕ膜の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の四角記号、三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層１４のＴａ膜の厚さが０ｎｍ、０．１ｎｍ、及び０．２ｎｍの試料を示す。「Ｔａ膜の厚さが０ｎｍ」の試料は、非磁性中間層１４をＲｕ膜のみで構成した試料であることを意味する。
【００３０】
非磁性中間層１４としてＴａ膜を配置した試料（三角記号、丸記号）のＭＲ比は、Ｔａを配置していない試料（四角記号）のＭＲ比よりも大きいことがわかる。
【００３１】
図４に、面内磁化自由層１５の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の非磁性中間層１４及び面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・非磁性中間層１４：厚さ０ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ０．８ｎｍ〜１．４ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図４の横軸は、面内磁化自由層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の四角記号、三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層１４の厚さが０ｎｍ、０．１ｎｍ、及び０．２ｎｍの試料を示す。「非磁性中間層１４の厚さが０ｎｍ」の試料においては、垂直磁化自由層１３と面内磁化自由層１５とが直接接触している。
【００３２】
Ｔａの非磁性中間層１４を配置した試料のＭＲ比は、非磁性中間層１４を配置していない試料のＭＲ比よりも大きいことがわかる。なお、面内磁化自由層１５の厚さが０．８ｎｍの試料においては、Ｔａの非磁性中間層１４を挿入する効果が小さいことがわかる。
【００３３】
図５に、Ｔａの非磁性中間層１４の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の非磁性中間層１４及び面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・非磁性中間層１４：厚さ０ｎｍ〜０．４ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍ〜１．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図５の横軸は、非磁性中間層１４の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれ面内磁化自由層１５の厚さが１．０ｎｍ、１．２ｎｍの試料を示す。「非磁性中間層１４の厚さが０ｎｍ」の試料においては、垂直磁化自由層１３と面内磁化自由層１５とが直接接触している。非磁性中間層１４の厚さが０．１ｎｍ〜０．４ｎｍの範囲内で、非磁性中間層１４を配置しない場合に比べて大きなＭＲ比が得られることが確認された。
【００３４】
図３〜図５に示した評価結果からわかるように、非磁性中間層１４としてＴａ膜を配置することにより、ＭＲ比を改善することが可能である。
【００３５】
図６に、面内磁化自由層１５の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料のバッファ層１２、垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・バッファ層１２：厚さ７ｎｍのＲｕ膜
・垂直磁化自由層１３：厚さ１．２ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．２ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ０．７ｎｍ〜１．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図６の横軸は、面内磁化自由層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面内磁化自由層１５の厚さが０．７ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内で、十分大きなＭＲ比が得られている。
【００３６】
図７に、垂直磁化自由層１３の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図６の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・垂直磁化自由層１３：厚さ１．０ｎｍ〜１．４ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．１ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図７の横軸は、垂直磁化自由層１３の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれＴａの非磁性中間層１４の厚さが０．１ｎｍ、０．２ｎｍの試料を示す。垂直磁化自由層１３の厚さが１．０ｎｍ〜１．４ｎｍの範囲内で、十分大きなＭＲ比が得られている。
【００３７】
図８に、面内磁化自由層１５の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図７の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・垂直磁化自由層１３：厚さ０．８ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．４ｎｍのＲｕ膜と厚さ０．２ｎｍのＴａ膜との積層
・面内磁化自由層１５：厚さ１．０ｎｍ〜１．２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図８の横軸は、面内磁化自由層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面内磁化自由層１５の厚さが１．０ｎｍの試料では、厚さが１．１ｎｍ〜１．２ｎｍの試料に比べて、ＭＲ比が著しく低いことがわかる。これは、面内磁化自由層１５と垂直磁化自由層１３との交換相互作用により、面内磁化自由層１５の磁化が垂直方向を向いてしまったためであると考えられる。
【００３８】
図９に、垂直磁化自由層１３の厚さとＭＲ比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層１３、非磁性中間層１４、面内磁化自由層１５の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図７の測定に用いた評価用試料のものと同一である。
・垂直磁化自由層１３：厚さ０．８ｎｍ〜２．２ｎｍのＣｏＰｔ膜
・非磁性中間層１４：厚さ０．４ｎｍのＲｕ膜と厚さ０．１ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜との積層
・面内磁化自由層１５：厚さ１．１ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図９の横軸は、垂直磁化自由層１３の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層１４のＴａ膜の厚さが０．１ｎｍ、０．２ｎｍの試料を示す。垂直磁化自由層１３の厚さが０．８ｎｍ〜２．２ｎｍの範囲内で、大きなＭＲ比が得られている。
【００３９】
なお、垂直磁化自由層１３の厚さを１．０ｎｍ以下の範囲で、ＭＲ比がより大きくなっている。これは、垂直磁化自由層１３が面内磁化自由層１５と交換結合することにより、その磁化が面内方向を向きやすいためであると考えられる。また、垂直磁化自由層１３を厚くしすぎると、磁化自由層１７の合計の体積が大きくなることにより、反転電流が大きくなってしまう。反転電流の増大を抑制するために、垂直磁化自由層１３の厚さを１．５ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００４０】
図１０Ａ〜図１０Ｆを参照して、実施例１によるＭＴＪ素子の製造方法について説明する。
【００４１】
図１０Ａに示すように、基板１０の上に、下部電極１１から接続層２２までの各層を、スパッタリングにより形成する。基板１０内に、下地電極１１に接続される導電プラグ１０Ａが埋め込まれている。接続層２２を形成した後、磁場中で熱処理を行うことにより、反強磁性層２０に反強磁性を出現させる。この熱処理時に、面内磁化自由層１５が結晶化する。
【００４２】
図１０Ｂに示すように、ＭＴＪ積層構造を配置すべき領域に接続層２２が残るように、接続層２２をパターニングする。接続層２２のパターニングには、例えばエッチングマスクとして酸化シリコン膜を用い、エッチングガスとしてＣｌ２ガスを用いる。接続層２２をパターニングした後、エッチングマスクとして使用した酸化シリコン膜は除去する。パターニングされた接続層２２の平面形状は、例えば長方形または楕円形である。平面視において、パターニングされた接続層２２は、導電プラグ１０Ａと重ならない。
【００４３】
図１０Ｃに示すように、パターニングされた接続層２２をエッチングマスクとして用い、上部電極２１からバッファ層１２までの各層をエッチングする。このエッチングには、ＣＯとＮＨ３との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングが適用される。ＣＯとＮＨ３との流量比は、例えば１：１０とし、エッチングチャンバ内の圧力は、例えば１０Ｐａとする。なお、エッチングガスとしてメタノールガスを用いることもできる。
【００４４】
Ｔａからなる下部電極１１が露出すると、下部電極１１の表面が酸化され、タンタル酸化物層が形成される。タンタル酸化物層がエッチングストッパとして作用するため、下部電極１１はエッチングされない。ここまでの工程で、バッファ層１２から接続層２２まで各層を含む積層構造体３０が形成される。
【００４５】
図１０Ｄに示すように、積層構造体３０及び下部電極１１の上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜をパターニングすることにより、レジストパターン３３を形成する。レジストパターン３３は、積層構造体３０、及びその周囲の下部電極１１を覆う。平面視において、レジストパターン３３は導電プラグ１０Ａを内包する。レジストパターン３３をエッチングマスクとして、下部電極１１をエッチングする。このエッチングには、例えばエッチングガスとしてＣｌ２を用いた反応性イオンエッチングが適用される。エッチング後、レジストパターン３３を除去する。ここまでの工程で、図１に示したＭＴＪ素子が形成される。パターニングされた下部電極１１は、導電プラグ１０Ａに電気的に接続されている。
【００４６】
図１０Ｅに示すように、基板１０、下部電極１１、及び積層構造体３０の上に、層間絶縁膜３５を形成する。層間絶縁膜３５には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁材料が用いられる。層間絶縁膜３５の形成には、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）が適用される。
【００４７】
図１０Ｆに示すように、層間絶縁膜３５に、接続層２２の上面を露出させるビアホールを形成し、その中に導電プラグ３７を充填する。導電プラグ３７は、接続層２２を介して、ＭＴＪ素子の上部電極２１に電気的に接続される。
【００４８】
図１１に、実施例２によるスピントルク注入型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）の等価回路図を示す。複数のワード線５３が、図１１の縦方向に延在し、複数のビット線６５が図１１の横方向に延在する。ワード線５３とビット線６５との交差箇所に対応して、メモリセルが配置される。メモリセルは、スイッチング素子５２とＭＴＪ素子６０とを含む。スイッチング素子５２には、例えばＭＯＳトランジスタが用いられる。スイッチング素子５２の制御端子（ＭＯＳトランジスタのゲート電極）が、対応するワード線５３に接続される。ワード線５３に印加される電気信号によって、スイッチング素子５２のオンオフ制御が行われる。スイッチング素子５２の一方の電流端子が接地され、他方の電流端子が、ＭＴＪ素子６０を介して、対応するビット線６５に接続される。
【００４９】
図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して、実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの製造方法について説明する。図１２Ａ〜図１２Ｃにおいては、１つのメモリセルに対応する部分の断面図を示している。
【００５０】
図１２Ａに示すように、シリコン等の半導体基板５０の表層部に素子分離絶縁膜５１を形成し、活性領域を画定する。この活性領域に、ＭＯＳトランジスタ５２を形成する。ＭＯＳトランジスタ５２のゲート電極がワード線５３（図１１）を兼ねる。半導体基板５０及びＭＯＳトランジスタ５２の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５５を、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）により堆積させる。堆積後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により、層間絶縁膜５５の表面を平坦化する。
【００５１】
層間絶縁膜５５にビアホールを形成し、このビアホール内をタングステン等の導電プラグ５６で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５６は、ＭＯＳトランジスタ５２の一方の不純物拡散領域に接続される。
【００５２】
層間絶縁膜５５の上に、導電プラグ５６に接続されたグランド配線５７を形成する。層間絶縁膜５５及びグランド配線５７の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５８を、例えばＣＶＤにより堆積させる。堆積後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜５８の表面を平坦化する。
【００５３】
図１２Ｂに示すように、層間絶縁膜５５、５８にビアホールを形成し、このビアホール内を、タングステン等の導電プラグ５９で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５９は、ＭＯＳトランジスタ５２のもう一方の不純物拡散領域に接続される。
【００５４】
層間絶縁膜５８の上に、ＭＴＪ素子６０を形成する。ＭＴＪ素子６０は、図１に示した実施例１の下部電極１１から接続層２２までの積層構造と同一の積層構造を有する。ＭＴＪ素子６０は、実施例１と同じ方法で作製される。下部電極１１は、導電プラグ５９に接続される。
【００５５】
図１２Ｃに示すように、ＭＴＪ素子６０及び層間絶縁膜５８の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜６３を、例えばＣＶＤにより堆積させる。その後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜６３の表面を平坦化する。ＭＴＪ素子６０と重なる位置にビアホールを形成し、このビアホール内を、導電プラグ６４で埋め込む。導電プラグ６４には、例えばＡｌ／ＴｉＮの積層膜が用いられる。
【００５６】
層間絶縁膜６３の上に、ビット線６５を形成する。ビット線６５は、例えば、厚さ１０ｎｍのＴｉ層、厚さ３０ｎｍのＮｉＦｅ層、及び厚さ６００ｎｍのＡｌ層がこの順番に堆積した３層構造を有する。ビット線６５は、導電プラグ６４に接続される。
【００５７】
ビット線６５及び層間絶縁膜６３の上に、必要に応じて上層の配線層及び電極パッドを形成する。
【００５８】
実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいては、実施例１によるＭＴＪ素子が用いられている。このため、書き込み電流を低減させ、かつ大きなＭＲ比を得ることができる。
【００５９】
実施例１によるＭＴＪ素子は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの他に、例えばスピントルクオシレータ等に適用することができる。
【００６０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００６１】
１０  基板
１０Ａ  導電プラグ
１１  下部電極
１２  バッファ層
１３  垂直磁化自由層
１４  非磁性中間層
１５  面内磁化自由層
１７  磁化自由層
１８  トンネルバリア層
１９  磁化固定層
２０  反強磁性層
２１  上部電極
２２  接続層
３０  積層構造体
３３  レジストパターン
３５  層間絶縁膜
３７  導電プラグ
５０  半導体基板
５１  素子分離絶縁膜
５２  スイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）
５３  ワード線
５５  層間絶縁膜
５６  導電プラグ
５７  グランド配線
５８  層間絶縁膜
５９  導電プラグ
６０  ＭＴＪ素子
６３  層間絶縁膜
６４  導電プラグ
６５  ビット線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１０−３】
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【図１１】
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【図１２】
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